JP3972932B2 - インクジェットヘッドの製造方法並びにインクジェット装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドに関するものである。更に詳しくは、インクノズル間の圧力干渉を防止するのに適したインクジェットヘッドの構造に関するものである。

インクジェットヘッドとしては、インク液滴を発生（吐出）させるためのメカニズムに応じて各種の方式のものが知られている。例えば、ヒータを加熱してインクを沸騰させ、それによって生じる気泡圧でインク液滴を吐出する形式のインクジェットヘッドがある。また、インクを貯留した圧力室に貼り付けられた圧電素子に電圧を印加することにより圧力室の容積を膨張および収縮させて、インク液滴を吐出する形式のインクジェットヘッドがある。さらに、静電気力を利用してインクを貯留した圧力室の容積を変化させて、インク液滴の吐出を行う形式のものもある。いずれの形式のインクジェットヘッドにおいても、圧力室の圧力変動を利用して記録に必要なときにのみインク液滴を吐出させるようになっている。

これらの形式のインクジェットヘッドは、一般的に、複数のインクノズルのそれぞれに対応して配置され、圧力変動によって対応するインクノズルからインク液滴を吐出させる圧力室と、各圧力室にインクを供給するインクリザーバと、各圧力室に前記インクリザーバに連通させているインク供給口とを有している。圧力室、インクリザーバ、およびインク供給口は、平板状の基板を重ね合わせることにより、それらの基板間に平面方向に配列された状態に区画形成される。

インク液滴を吐出させるために圧力室に圧力変動を発生させると、その圧力（吐出圧力）はインクリザーバに伝達する。インクリザーバに圧力変動が生じると、このインクリザーバを介してインクノズル間で相互に圧力干渉を起こし、インク液滴の吐出量が変化したり、吐出させたいインクノズル（駆動ノズル）以外のインクノズル（非駆動ノズル）からインク液滴が漏れ出てしまうといった弊害が生じる。例えば、インクリザーバに正圧が生じると、非駆動ノズルからインク液滴が漏れ出てしまい、インクリザーバに負圧が生じると、駆動ノズルからのインク吐出量が減少してしまう。

このような弊害を回避するために、特公平２−５９７６９号公報には、圧力衝撃を緩和するダイヤフラムを備えたインク分配板と呼ばれるユニットが開示されている。このユニットをインクノズルが形成されている部材に組み付けると、上記ダイヤフラムでインクリザーバに生じる圧力変動が抑制される。この結果、所望のインク吐出特性が得られる。

インクジェットヘッドに対しては、プリンタの小型化に伴ってより小型で薄型のものが求められている。しかしながら、特公平２−５９７６９号公報に開示されたインク分配板を別途組み付けたのでは、インクジェットヘッドの小型・薄型化は達成できない。

本発明の課題は、インクジェットヘッドを大型化させることなく、インクノズル間の圧力干渉を防止できるインクジェットヘッドを提案することにある。

また、本発明の課題は、目標とする特性を備えた圧力干渉防止用のダイヤフラムを簡単に形成できるインクジェットヘッドを提案することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、 インクノズルが形成された第１の基板と、第１の基板および圧力室となる凹部が形成された第２の基板とを相互に重ね合わせることにより、これらの間に、インクを吐出する複数のインクノズルのそれぞれに対応して配置され、圧力変動によって対応するインクノズルからインク液滴を吐出させる圧力室と、各圧力室にインクを供給するインクリザーバと、各圧力室を前記インクリザーバに連通させているインク供給口とが平面方向に配列された状態に区画形成されているインクジェットヘッドの製造方法であって、
第１の基板の一方の面にエッチングを施し、インクノズル部分と圧力変動緩衝部分を形成する凹部を形成する第１のエッチング工程と、
第１の基板の他方面にエッチングを施し、ノズルを貫通させ、可撓性を有する厚さの圧力変動緩衝部分を形成する第２のエッチング工程と、
第１の基板と前記第２の基板を接合する工程とを有することを特徴としている。

また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、第１の基板および第２の基板はシリコンである。従って、インク分配板等の別部材を組み付ける必要がないので、大型化させることなく、インクノズル間の圧力干渉を防止できるインクジェットヘッドを実現できる。

さらに、本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、第１のエッチング工程の前に、第１の基板の表面に酸化膜を形成し、酸化膜にハーフエッチングを施し、インクノズルの大断面ノズル部分、インク供給口および圧力変動緩衝部分を形成するためのパターンを形成する工程と、
インクノズルの大断面ノズル部分に該当するハーフエッチング領域に、さらに小断面ノズル部分を形成するためのパターンをエッチングにより形成する工程とを有する。

なお、第１のエッチングは、異方性ドライエッチングであり、第２のエッチングは、異方性湿式エッチングである。

（全体構成）
図１は本発明を適用したインクジェットヘッドの外観形状を示す斜視図である。また、図２はそのインクジェットヘッドの一部の分解斜視図、図３はその部分断面図である。

これらの図に示すように、インクジェットヘッド１は、インク液滴を基板の上面に設けたインクノズルから吐出させるフェイスインクジェットタイプであり、静電駆動方式のものである。インクジェットヘッド１は、ノズルプレート（第１の基板）２、キャビティープレート（第２の基板）３、ガラス基板４がこの順序で相互に接合された積層構造をしている。

キャビティープレート３は、例えばシリコン基板であり、プレートの表面には底壁が振動板５として機能する圧力室６を構成することになる凹部７と、凹部７の後部に設けられたインク供給口８を構成することになる細溝９と、各々の圧力室６にインクを供給するためのインクリザーバ１０を構成することになる凹部１１とがエッチングによって形成されている。このキャビティープレート３の下面は鏡面研磨によって平滑化されており、ガラス基板４に対する取付け部とされている。

このキャビティープレート３の上面（溝形成側の基板表面）に接合されるノズルプレート２において、圧力室６の上面を規定する壁部分には各圧力室６に連通する複数のインクノズル２１が形成されている。インクノズル２１は段状断面をしており、インク液滴の吐出方向の前側には円形の小断面ノズル部分２１ａが形成され、後側には円形の大断面ノズル部分２１ｂが形成されている。

このノズルプレート２およびキャビティープレート３を相互に重ね合わせることにより、これらのプレート２、３の間に、圧力室６、インク供給口８、およびインクリザーバ１０とが平面方向Ｈに配列された状態に区画形成される。

キャビティープレート３の下面に接合されるガラス基板４において、インクリザーバ１０の底面に対応する壁部分にはインク供給孔１９が形成されている。このインク供給孔１９はインクリザーバ１０まで延びている。インク供給孔１９には接続パイプを介してインクタンク等の外部のインク供給源が接続されている。インク供給源からインク供給孔１９を介してインクリザーバ１０にインクが供給可能な状態となっている。

ガラス基板４において、各々の振動板５に対峙する部分には、振動室１２を構成することになる凹部１３が形成されている。この凹部１３の底面には、振動板５に対峙する個別電極１４が配置されている。個別電極１４はリード部１５を介して端子部１６に接続されている。端子部１６を除く個別電極１４およびリード部１５は絶縁膜１７に被覆されている。各端子部１６にはリード線１８がボンディングされている。

キャビティープレート２に形成した各圧力室６の底面を規定している振動板５は、共通電極として機能し、この共通電極と各個別電極１４の端子部１６との間にはドライバ２０が接続されている。ドライバ２０によって個別電極１４に印加すると、電圧が印加された個別電極１４と対峙している振動板５が静電気力によって振動し、これに伴って圧力室６の圧力が変動してインクノズル２１からインク液滴２３が吐出される。

例えば、正の電圧パルスを印加して個別電極１４の表面を正の電位に帯電させると、対応する振動板５の下面は負の電位に帯電される。したがって、振動板５は静電気力によって吸引されて下方へ撓む。次に、個別電極１４へ印加している電圧パルスをオフにすると、振動板５が元の位置に復帰する。この復帰動作によって、圧力室６の内圧が急激に上昇して、インクノズル２１からインク液滴２３が吐出される。そして、振動板５が下方に撓むことにより、インクがインクリザーバ１０からインク供給口８を経由して、圧力室６に補給される。

なお、インクジェットヘッド１で使用されるインクとしては、水、アルコール、トルエン等の主溶媒にエチレングリコール等の界面活性材と、染料または顔料とを溶解または分散させることにより調製される。さらに、インクジェットヘッドにヒータを設けておけば、ホットメルトインクも使用できる。

ここで、インクリザーバ１０を区画形成しているノズルプレート２およびキャビティープレート３からなる仕切り壁部分１０ａは、相互に対峙していると共に平面方向Ｈに延びる第１の仕切り壁部分１０ｂおよび第２の仕切り壁部分１０ｃを備えている。これらの仕切り壁部分１０ｂ、１０ｃのうち、インク供給口８に近い側の第１の仕切り壁部分１０ｂには、インクリザーバ１０の圧力変動を緩衝させるために、薄い厚さの圧力変動緩衝部分２２が計６個形成されている。

図４には圧力変動緩衝部分２２のコプライアンスＣｒとインク吐出量の重量変化率の相関関係を示してある。この図から分かるように、圧力変動緩衝部分２２のコプライアンスＣｒが１×１０^-17 ［Ｎ／ｍ⁵ ］であれば、インク吐出量の重量変化率を約７５％程度に維持でき、インクの吐出特性の要求に十分満足できる。このため、インクジェットヘッド１では、圧力変動緩衝部分２２のコプライアンスＣｒが１×１０^-17 ［Ｎ／ｍ⁵ ］以上となるように、当該圧力変動緩衝部分２２の厚さおよび面積を調整してある。従って、インクリザーバ１０に圧力変動が生じても、圧力変動緩衝部分２２でその圧力変動を十分に和らげて、インクノズル間の相互の圧力干渉を抑制できる。なお、インク吐出量の重量変化率が殆どないようにして、インクノズル間の相互の圧力緩衝を無くすには、圧力変動緩衝部分２２のコプライアンスＣｒを３×１０^-17 ［Ｎ／ｍ⁵ ］以上にすることが最も好ましい。

以上のように、インクジェットヘッド１においては、インクリザーバ１０を区画形成している平面方向Ｈに延びる第１の仕切り壁部分１０ｂに、圧力変動緩衝部分２２を形成している。従って、特公平２−５９７６９号公報に開示されたインク分配板等の別部材を組み付ける必要がないので、大型化させることなく、インクノズル間の圧力干渉を防止できる。また、面積の大きな圧力変動緩衝部分２２を形成できるので、目標とする特性を備えた圧力干渉防止用の圧力変動緩衝部分２２を簡単に形成できる。

また、インクジェットヘッド１では、圧力変動緩衝部分２２が形成された第１の仕切り壁部分１０ｂはインク供給口８に近い側の仕切り壁部分である。従って、圧力室６からインク供給口８を経由して伝達する吐出圧力をインクリザーバ１０に進入した時点で圧力変動緩衝部分２２で吸収できる。このため、インクリザーバ１１に伝達する前段階で圧力を和らげることができるので、インクノズル間の圧力干渉を効果的に防止できる。

図５〜図８にはノズルプレート２の製造工程の一例を示してある。これらの図を参照してノズルプレート２の製造手順を説明する。

（Ｓｔｅｐ１：第１の熱酸化膜形成工程）
先ず、図５（Ａ）に示すように、厚さが１８０ミクロンのシリコンウエハ３０を用意し、当該シリコンウエハ３０を熱酸化させて、その表面にレジスト膜としての厚さが１．２ミクロン以上のＳｉＯ2 膜３１を形成する。

（Ｓｔｅｐ２：ＳｉＯ2 膜の第１のパターニング工程）
次に、図５（Ｂ）に示すように、シリコンウエハ３０の表面３０ａを覆っているＳｉＯ2 膜３１の部分にハーフエッチングを施すことにより、インクノズル２１の大断面ノズル部分２１ｂ、インク供給口８およびインクリザーバ１０の第１の仕切り壁部分１０ｂを形成するためのパターン３２ｂおよび３３を形成する。エッチング液としては、フッ化アンモニウム（ＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝８８０ｍｌ：５６１０ｍｌ）を使用することができる。

（Ｓｔｅｐ３：ＳｉＯ2 膜の第２のパターニング工程）
この後は、図５（Ｃ）に示すように、インクノズル２１の小断面ノズル部分２１ａを形成するためのパターン３２ａを、ＳｉＯ2 膜３１のハーフエッチング領域であるパターン３２ｂの部分に形成する。すなわち、これらのハーフエッチング領域をエッチングして、シリコンウエハ表面を露出させたパターン３２ａを形成する。この場合に使用するエッチング液も上記と同様なフッ化アンモニウムを使用できる。

（Ｓｔｅｐ４：第１のドライエッチング工程）
このようにして、ＳｉＯ2 膜２１０に２回のパターニングを施した後は、図６（Ａ）に示すように、ＩＣＰ放電による異方性ドライエッチングをシリコンウエハ３０に施す。これにより、上記のＳｔｅｐ３で形成されたパターン３２ａに対応した形状で、シリコンウエハ３０の表面が垂直にエッチングされて、所定の深さの溝３４が形成される。この場合のエッチングガスとしては、例えば、ＣＦ４、ＳＦ６を使用し、これらのエッチングガスを交互に使用すればよい。ここで、ＣＦ４は形成される溝の側面にエッチングが進行しないように溝側面を保護するために使用し、ＳＦ６はシリコンウエハの垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。

このようにして、溝３４を形成した後は、ＳｉＯ2 膜３１をフッ酸水溶液によってパターン３２ｂ、３３が完全に除去されるように、適当なエッチングレートでエッチ除去する。この結果、図６（Ｂ）に示すように、Ｓｔｅｐ２で形成したパターン３２ｂ、３３の部分が完全に除去されて、シリコンウエハ３０の表面が露出した状態になる。

（Ｓｔｅｐ５：第２のドライエッチング工程）
次に、図６（Ｃ）に示すように、再度、ＩＣＰ放電による異方性ドライエッチングを行なう。この結果、露出しているシリコンウエハの表面部分は、その断面形状を保った状態で厚さ方向に向けて垂直にエッチングが進行する。この場合のエッチングガスも上記のＳｔｅｐ４と同一である。この結果、段状のインクノズル２１に対応する断面形状のノズル溝３６、インク供給口８およびインクリザーバ１０の第１の仕切り壁部分１０ｂに対応する断面形状の溝３７が形成される。

この後は、ＳｉＯ2 膜３１をフッ酸水溶液（例えば、ＨＦ：Ｈ2 Ｏ＝１：５ｖｏｌ，２５℃）で全て剥離する。図６（Ｄ）にはこの状態を示してある。

（Ｓｔｅｐ６：第２の熱酸化膜形成工程）
この後は、図７（Ａ）に示すように、再び、シリコンウエハ３０の表面を熱酸化して、レジスト膜としてのＳｉＯ2 膜３８を形成する。この場合においても、ＳｉＯ2 膜３８の厚みは、例えば、１．２ミクロンにすれば良い。

（Ｓｔｅｐ７：ＳｉＯ2 膜の第３のパターニング工程）
次に、図７（Ｂ）に示すように、シリコンウエハ３０の反対側の表面３０ｂを覆っているＳｉＯ2 膜３８の部分をエッチングして、インクノズル２１が開口している凹部に対応したパターン４０、および圧力変動緩衝部分２２に対応したパターン４１を形成する。この場合のエッチング液は上記のＳｔｅｐ２で使用したものを使用できる。

（Ｓｔｅｐ８：ウエットエッチング工程）
次に、図７（Ｃ）に示すように、シリコンウエハ３０をエッチング液に漬けてシリコンウエハ３０の露出部分に対して異方性湿式エッチングを施し、溝４２を形成してノズル２１を貫通させる。また、溝４３を形成して所定の厚さの圧力変動緩衝部分２２を形成する。この場合に使用するエッチング液は、水酸化カリウム水溶液であり、その濃度は２ｗｔパーセントで液温８０℃のものを使用できる。エッチング終了後は、図７（Ｄ）に示すように、ＳｉＯ2 膜３８をフッ酸水溶液で全て剥離する。この結果、シリコンウエハ３０の表面が露出した状態になる。

最後に、図８に示すように、シリコンウエハの耐インク性とノズル面の撥水処理の密着性を確保するために、再度シリコンウエハを熱酸化して、ＳｉＯ2 膜を形成する。以上により、ノズルプレート２が得られる。このようにして得られたノズルプレート２をキャビティープレート３を接合することにより、圧力室６、インク供給口８、およびインクリザーバ１０が平面方向Ｈに配列された状態に区画形成される。

［その他の実施の形態］
なお、ノズルプレート２の形状としては、上記の例に限定されることはなく、図９（Ａ）乃至（Ｄ）に示すような形状であっても良く、圧力変動緩衝部分２２の面積、厚さ、インクリザーバ２の容積等を考慮して決定すれば良い。

圧力変動緩衝部分２２を外部から保護するために、図１０（Ａ）に示すように、その部分を保護カバー２５によって覆っておくことが望ましい。但し、図１０（Ａ）に示すように、保護カバー２５によって完全に覆ってしまうと、気密状態となって、圧力変動緩衝部分２２の振動に悪影響を及ぼすことがある。このため、図１０（Ｂ）に示すように、保護カバー２５に通気孔２５ａを設けておくことがさらに望ましい。

前述したインクジェットヘッド１は、インク液滴２３をノズルプレート２の上面から吐出させるフェイスインクジェットタイプであるが、インク液滴２３をノズルプレート２の側方から吐出させるエッジインクジェットタイプについても本発明を適用できる。

本発明を適用したインクジェットヘッドの外観形状を示す斜視図である。 図１に示すインクジェットヘッドの一部を示す分解斜視図である。 図１に示すインクジェットヘッドの一部を示す部分断面図である。 圧力変動緩衝部分のコプライアンスとインク吐出量の重量変化の相関関係を示すグラフである。 （Ａ）は図１のインクジェットヘッドのノズルプレートの製造工程における第１の熱酸化膜形成工程を示す説明図、（Ｂ）はＳｉＯ2 膜の第１のパターニング工程を示す説明図、（Ｃ）はＳｉＯ2 膜の第２のパターニング工程を示す説明図である。 （Ａ）は図１のインクジェットヘッドのノズルプレートの製造工程におけるシリコンウエハに対する第１のドライエッチング工程を示す説明図、（Ｂ）はハーフエッチング部分を除去した後の状態を示す説明図、（Ｃ）はシリコンウエハに対する第２のドライエッチング工程を示す説明図、（Ｄ）はＳｉＯ2 膜を除去した後の状態を示す説明図である。 （Ａ）は図１のインクジェットヘッドのノズルプレートの製造工程における第２の熱酸化膜形成工程を示す説明図、（Ｂ）はＳｉＯ2 膜の第３のパターニング工程を示す説明図、（Ｃ）はシリコンウエハに対するウエットエッチング工程を示す説明図、（Ｄ）はＳｉＯ2 膜を除去した後の状態を示す説明図である。 図１のインクジェットヘッドのノズルプレートの製造工程における最終の熱酸化膜形成工程を示す説明図である。 図１のインクジェットヘッドのノズルプレートとは異なるノズルプレートの例を示す断面図である。 ノズルプレートに圧力変動緩衝部分を保護する保護カバーが取り付けられている例を示す断面図である。

符号の説明

１ インクジェットヘッド
２ ノズルプレート（第１の基板）
３ キャビティープレート（第２の基板）
４ ガラス基板
５ 振動板
６ 圧力室
８ インク供給口
１０ インクリザーバ
１０ａ 仕切り壁部分
１０ｂ 第１の仕切り壁部分
１０ｃ 第２の仕切り壁部分
１２ 個別電極
２１ インクノズル
２２ 圧力変動緩衝部分
２５ 保護カバー
２５ａ 通気孔
Ｈ 平面方向

Claims (6)

1. インクノズルが形成された第１の基板と、前記第１の基板および圧力室となる凹部が形成された第２の基板とを相互に重ね合わせることにより、これらの間に、インクを吐出する複数の前記インクノズルのそれぞれに対応して配置され、圧力変動によって対応するインクノズルからインク液滴を吐出させる圧力室と、各圧力室にインクを供給するインクリザーバと、各圧力室を前記インクリザーバに連通させているインク供給口とが平面方向に配列された状態に区画形成されているインクジェットヘッドの製造方法であって、
   前記第１の基板の一方の面にエッチングを施し、前記インクノズル部分と圧力変動緩衝部分を形成する凹部を形成する第１のエッチング工程と、
   前記第１の基板の一方の面の反対面にエッチングを施し、前記ノズルを貫通させ、前記圧力変動緩衝部分を可撓性を有する厚さに形成する第２のエッチング工程と、
   前記第１の基板と前記第２の基板を接合する工程とを有することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
2. 前記第１の基板および前記第２の基板はシリコンであることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法。
3. 前記インクノズルは、大断面ノズル部分と、前記大断面ノズル部分の断面積よりも小さい小断面ノズル部分が重なる２段構造であり、
   前記第１のエッチング工程の前に、前記第１の基板の表面に酸化膜を形成し、前記酸化膜にハーフエッチングを施し、前記インクノズルの前記大断面ノズル部分、インク供給口および圧力変動緩衝部分を形成するためのパターンを形成する工程と、
   前記第１の基板に、前記小断面ノズル部分を形成するためのパターンをエッチングにより形成する工程とを有することを特徴とする請求項１または２記載のインクジェットヘッドの製造方法。
4. 前記第１のエッチングは、異方性ドライエッチングであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
5. 前記第２のエッチングは、異方性湿式エッチングであることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
6. 前記請求項１〜５いずれかに記載のインクジェットの製造方法により製造されたインクジェットヘッドを有するインクジェット装置。

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